表面活性劑改性黏土機理及其應用研究進展

李芙蓉，張浩東，李崇瑛

（成都理工大學 材料與化學化工學院，四川 成都 610059）

天然地質黏土礦物主要由層狀硅酸鹽構成，根據層狀結構的微觀差異，可細分為高嶺石、蒙脫土、伊利石、云母、綠泥石、滑石粉、沸石等。天然地質黏土礦物表面富含堿性和酸性官能團，是極好的吸附劑[1]。黏土礦物的吸附性能主要與其孔隙度、比表面積、pH 值和表面物化性質等因素有關，但其最終吸附效率取決于所吸附的污染物類型[2]。此外，天然黏土的晶體結構和表面富含的負電荷限制了其吸附性能及應用。因此引入表面活性劑對黏土進行改性受到了廣泛的關注[3]。表面活性劑通過吸附和修飾可以顯著改變黏土表面的物化性質，比如潤濕性、表面電荷等，使黏土礦物具有疏水、親有機的性質，從而有助于水中重金屬、有機污染物的去除。相比于其他改性劑，表面活性劑表現出優異的熱穩定性、低毒性、環境友好性[4]。本文主要綜述了表面活性劑改性黏土的方法及機理，介紹了改性黏土作為吸附劑在環境修復中的應用，對其研究進展和未來的研究方向分別進行了簡要的概述，以期拓展改性黏土的應用。

1 表面活性劑改性黏土的方法及機理

表面活性劑分子是一種兩親性分子，由非極性疏水基團和極性親水基團組成。其中疏水基可以是長鏈碳氫化合物、氟碳化合物、硅氧烷鏈或短聚合物鏈等[5]。利用表面活性劑不同的官能團對黏土進行改性，可以提高黏土的疏水性，改變層間間距，從而提高其結合性能。目前，表面活性劑改性黏土的方法主要分為干法和濕法。此外，借助傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和X 射線粉晶衍射（XRD）等多種技術，研究人員對表面活性劑改性黏土的機理開展了理論研究。

1.1 陽離子表面活性劑改性黏土

研究表明，陽離子表面活性劑主要采用離子交換作用和疏水碳鏈間的相互作用對黏土進行改性[6]。如圖1 所示，當陽離子表面活性劑修飾用量低于黏土的陽離子交換容量（CEC）時，主要通過靜電作用和陽離子交換作用進入黏土層間，此時的吸附等溫線為直線；當陽離子表面活性劑修飾用量大于黏土的CEC 時，除了離子交換作用，陽離子表面活性劑還可以借助疏水鍵吸附分散到黏土的內外表面，從而使黏土表面帶正電荷；當陽離子表面活性劑修飾濃度超過其臨界膠束濃度時，陽離子表面活性劑以分子形式負載到黏土表面，疏水碳鏈間的相互作用成為改性黏土的主要機制[6-8]。

圖1 陽離子表面活性劑改性黏土機理Fig.1 Mechanisms of cationic surfactant modified clay

1.2 陰離子表面活性劑改性黏土

由于黏土表面帶負電荷，易與陰離子表面活性劑產生靜電排斥作用，因此陰離子表面活性劑不易進入黏土的中間插層。目前陰離子表面活性劑改性黏土的機制主要以疏水鍵結合為主，其次與陰離子交換、氫鍵、配位絡合等作用有關[9]。Fella 等[10]研究表明，疏水鍵結合為陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉改性高嶺土的主要機制，同時發現表面活性劑的羥基和黏土中間層的四面體基底的氧原子之間產生的氫鍵使表面活性劑分子修飾在黏土表面。

1.3 兩性表面活性劑改性黏土

常見的用于改性黏土的兩性表面活性劑主要為甜菜堿型，其改性黏土機制主要以離子-偶極相互作用和共吸附作用為主[11]。離子-偶極相互作用原理主要是帶負電荷的黏土表面與兩性表面活性劑中的陽離子基團之間的相互作用，以及黏土中金屬陽離子與磺酸基團的相互作用。共吸附作用原理主要是兩性表面活性劑分子中的烷基端之間的非靜電相互作用。兩種作用都有助于表面活性劑對黏土的改性。

1.4 非離子表面活性劑改性黏土

Shen 等[12]使用非離子表面活性劑來改性膨潤土，發現非離子表面活性劑分子主要通過結構中含有的極性基團與黏土表面的羥基產生氫鍵相互作用對黏土進行改性。非離子表面活性劑主要通過改變極性基團的類型對黏土表面進行修飾。此外，一些研究表明，非離子表面活性劑還可以通過與黏土發生靜電吸引作用來改性黏土，其原理主要是借助色散力、質子化基團、π 電子極化等相互作用[13]。

2 表面活性劑改性黏土的穩定性

表面活性劑改性黏土的穩定性將會影響其作為吸附劑的性能。研究表明，表面活性劑改性黏土的機理決定了改性黏土的穩定性。其中，以離子交換作用形式改性的黏土，其上的表面活性劑不易解吸、穩定性較高、不易受其他因素的干擾。而以疏水鍵形式相互作用的改性黏土容易解吸，易受共存的電解質種類、陽離子種類、濃度、溶液pH 等因素干擾[14-16]。Hue 等[15]通過洗滌或接觸電解液，探究了三辛基甲基氯化銨（TCMA）改性黏土在不同CEC 下的吸附和解吸性能。結果表明，吸附和解吸與CEC 有關，并且發現黏土的洗滌對TCMA 的解吸沒有影響。

3 表面活性劑改性黏土的應用

改性黏土具有吸附效率高、活性可調、功能可控、穩定性高等優勢，近年來，作為天然黏土的新興替代物，在環境修復領域展示了廣闊的應用前景。

3.1 吸附重金屬陽離子

鉛、汞、銅、鎘和鉻離子等重金屬污染水體，將嚴重影響人類和動植物的健康。研究人員發現，黏土及改性黏土可通過離子交換、絡合反應和表面沉淀等有效去除廢水中的重金屬離子，見圖2。由于改性黏土吸附活性位點增加，因此其吸附效率也隨之提高。Bagherifam 課題組[17]研究了溴化十六烷基吡啶改性的沸石以及氯化十六烷基吡啶改性的蒙脫土對Sb（III）的吸收效率。改性后的蒙脫土和沸石均對Sb（III）表現出高的吸附親和力，吸附能力顯著增加。經計算，Langmuir 最大吸附量分別為108.7 mg/g 和61.34 mg/g，并且發現在Cl-和SO42-存在下，對Sb（III）的吸附具有選擇性。

圖2 黏土吸附重金屬離子機理Fig.2 Mechanism of adsorption of heavy metal ions by clay

Mudzielwana 等[18]發現通過在高嶺土層間插入無機和有機表面活性劑陽離子，同樣提高了高嶺土的吸附能力。等溫線研究表明，其吸附符合Langmuir 等溫線，As（III）和As（V）吸附均發生在單層表面上，吸附機理是化學吸附。室溫下吸附As（III）和As（V）的最大容量分別為7.99 mg/g 和7.32 mg/g。

此外，采用不同表面活性劑間的復配模式，黏土的吸附效率也會得到提高。如Li 等[19]使用十二烷基二甲基甜菜堿和十二烷基三甲基溴化銨對膨潤土進行改性，用于吸附鉻離子Cr(Ⅵ)，結果發現混合改性后的膨潤土對Cr（Ⅵ）的吸附量是十二烷基二甲基甜菜堿修飾膨潤土的23 倍。蘇玉紅等[20]分別用陽離子以及陰、陽離子混合表面活性劑對膨潤土進行改性，并用得到的兩種改性膨潤土和原土分別對Pb2+進行吸附，結果表明兩種改性膨潤土的吸附效果好于原土，其平衡吸附量均達到原土的2.5～6 倍。

然而，并不是所有表面活性劑改性黏土后，其離子交換能力都會增加，Li 等[21]將雙子烷基季銨陽離子表面活性劑改性蒙脫土用于去除廢水中的Cu2+，發現改性后蒙脫土的離子交換能力低于天然蒙脫土，但是在多元體系下其他有機物的存在可以與Cu2+發生配合作用，從而極大提升Cu2+的吸附量。

3.2 吸附有機污染物

改性黏土由于表面具有疏水特征，從而能實現對有機污染物增量吸附的目的。例如Bougdah等[22]借助十六烷基三甲基溴化銨擴大膨潤土的層間距離，從而提高膨潤土對氯苯的吸附性能。Tilaki 等[23]采用烷基二甲基芐基氯化銨改性沸石表面物化性質，結果發現，通過改性可以增強沸石表面對以苯酚為主的有機污染物的吸附，吸附量增加了32%。Fazel 等[24]利用十四烷基三甲基溴化銨改性蒙脫土，用于去除水中的三氯乙烯，結果表明改性黏土對水中三氯乙烯的去除率高達99%。

此外，研究表明，除了通過改變黏土的親疏水性來提高吸附污染物的能力，也可以通過增加有機碳的含量以及改變電荷和增強物理吸附來提高對污染物的吸附能力。黏土礦物經過陰離子表面活性劑改性后，由于黏土中的有機碳含量增加，其對有機污染物的吸附量也呈增大趨勢。王毅等[25]用十二烷基磺酸鈉改性膨潤土，并從熱力學和動力學角度研究了改性膨潤土對亞甲基藍的吸附機理，發現吸附遵循偽二級動力學方程，且主要為自發的表面物理吸附，吸附活化能為3.34 kJ/mol。楊林等[26]研究表明，相對于未修飾的黏土，經兩性表面活性劑十二烷基二甲基甜菜堿修飾的黏土礦物對四環素的吸附能力增強，其吸附機理主要是電荷吸附和物理吸附。

3.3 吸附其他污染物

為了去除水處理過程中的腐殖酸，Lin 等[27]利用十六烷基吡啶改性沸石吸附腐殖酸，吸附容量為164 mg/g。吸附在改性沸石上的腐殖酸分子，在1 mol/L 的NaOH 溶液中僅發生部分解吸。Srinivasarao 等[28]使用Gemini 表面活性劑改性蒙脫土吸附高氯酸鹽（ClO4-），在1 min 內去除率達95%，基于Langmuir 單層吸附的最大吸附容量為1.08 mmol/g，且在多種陰離子共存的條件下如HCO3-、NO3-、CO32-、SO42-、SiO32-和H2PO4-，均具有極高的選擇性和抗干擾能力。

4 總結和展望

表面活性劑改性黏土因具有高比表面積、陽離子交換容量以及陽離子交換選擇性，在環境修復領域中取得了一系列進展，但仍面臨著諸多挑戰。

（1）改性黏土作為吸附劑，在應用過程中，表面活性劑的解吸會影響其吸附容量，因此在今后的研究中應加強表面活性劑改性黏土的穩定性研究。

（2）與化學鍵吸附不同，表面活性劑改性黏土，其選擇性較差，如何提升改性黏土的選擇性是亟待解決的技術瓶頸之一。引入聚合物改性是未來可以嘗試的研究方向。

（3）盡管表面活性劑改性黏土用作吸附劑取得了矚目的研究進展，但吸附物仍局限在少數污染物。探索新的污染物與改性黏土相互作用也是未來應重點研究的方向之一。